Catalyzed Relaxation of a Metastable DNA Fuel

化学 催化作用 亚稳态 DNA 核酶 A-DNA 组合化学 纳米技术 核糖核酸 材料科学 有机化学 生物化学 基因
作者
Georg Seelig,Bernard Yurke,Erik Winfree
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:128 (37): 12211-12220 被引量:173
标识
DOI:10.1021/ja0635635
摘要

Practically all of life's molecular processes, from chemical synthesis to replication, involve enzymes that carry out their functions through the catalytic transformation of metastable fuels into waste products. Catalytic control of reaction rates will prove to be as useful and ubiquitous in nucleic-acid-based engineering as it is in biology. Here we report a metastable DNA "fuel" and a corresponding DNA "catalyst" that improve upon the original hybridization-based catalyst system (Turberfield et al. Phys. Rev. Lett. 90, 118102-1-118102-4) by more than 2 orders of magnitude. This is achieved by identifying and purifying a fuel with a kinetically trapped metastable configuration consisting of a "kissing loop" stabilized by flanking helical domains; the catalyst strand acts by opening a helical domain and allowing the complex to relax to its ground state by a multistep pathway. The improved fuel/catalyst system shows a roughly 5000-fold acceleration of the uncatalyzed reaction, with each catalyst molecule capable of turning over in excess of 40 substrates. With k(cat)/K(M) approximately 10(7)/M/min, comparable to many protein enzymes and ribozymes, this fuel system becomes a viable component enabling future DNA-based synthetic molecular machines and logic circuits. As an example, we designed and characterized a signal amplifier based on the fuel-catalyst system. The amplifier uses a single strand of DNA as input and releases a second strand with unrelated sequence as output. A single input strand can catalytically trigger the release of more than 10 output strands.
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